Память современных компьютеров

ВВЕДЕНИЕ

Получая в 1956 году Нобелевскую премию, Джон Бэр-дин, Вальтер Брэттэйн и Вильям Шокли вряд ли пред­полагали, что изобретенный ими транзистор откроет новую эру в истории человечества и даст толчок к со­зданию широкого спектра новых радиоэлектронных устройств. Одним из таких устройств является компью­тер. Современные компьютеры используют уже не от­дельные транзисторы, а микропроцессоры-чипы, состо­ящие из 12—13 млн транзисторов. За последние 25 лет количество транзисторов, содержащихся в одном чипе, выросло более чем в 3000 раз, а видимая уже сейчас перспектива — 1 млрд транзисторов в чипе к 2011 году. Быстрое развитие микропроцессорной техники позво­лило значительно увеличить быстродействие компью­теров. Появившаяся возможность обрабатывать боль­шие объемы информации определила необходимость значительного увеличения плотности ее записи. По­следние исследования ученых продемонстрировали возможность записи нескольких десятков гигабит ин­формации на 1 см². Современные портативные накопи­тели информации типа ZIV могут вмещать до 30 Гбайт и при этом легко помещаться в карман рубашки.

За точку отсчета в развитии магнитной памяти сле­дует принимать далекий 1898 год. Именно в том году датский инженер В. Поулсен, работавший в Копенга­генской телефонной компании, продемонстрировал прибор, который мог записать речь на стальную струну (рис. 1). Вначале его друзья были озадачены странным поведением Поулсена — он перемещался от одного конца проволоки к другому, говоря в микрофон, подсое­диненный к электромагнитной катушке. Последняя передвигалась по струне с помощью тележки. Однако, когда Поулсен вернул тележку в исходное положение и заменил микрофон динамиком, друзья смогли вновь услышать его голос в процессе движения тележки. В основе современных устройств магнитной записи ин­формации лежит этот же принцип с той лишь разни­цей, что струна заменена тонкой магнитной пленкой. Применяемые в настоящее время способы записи и считывания информации можно разбить на две груп­пы: магнитный и оптический.

МАГНИТНАЯ ПАМЯТЬ

Технология магнитной записи стала широко использо­ваться в различных элементах памяти с начала 1950-х го­дов. Именно эта технология до сих пор применяется в работе большинства компьютеров. Она позволила обес­печить экспоненциальный рост плотности записи за последние тридцать лет (рис. 2) и достигнуть его 100%-ного ежегодного увеличения в настоящее время.

Что представляет собой один бит магнитной ин­формации? В современных носителях это один магнит­ный домен, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В маг­нитной записи используются так называемые продоль­ные домены, намагниченность которых ориентирована

в плоскости диска (рис. 3). Запись одного бита инфор­мации осуществляется путем подачи тока в электриче­скую катушку. Считывание информации при данной схеме работы может осуществляться различными спо­собами. Схема, подобная представленной на рис. 3, ис­пользуется в процессе работы жестких дисков компью­теров, флоппи-дисков и стриммеров. Для записи битов с высокой плотностью записи необходимо, чтобы не только расстояние между магнитной средой и считыва­ющей/записывающей головкой было исчезающе мало, но и чтобы сама среда была как можно более тонкой и гладкой.

Рис. 2. Диаграмма плотности записи информации

на жестких дисках

Одним из наиболее хорошо известных магнитных материалов, используемых для записи, является поро­шок в связывающей матрице (например, лаке). Поро­шок представляет собой микрочастицы с большой оста­точной намагниченностью размером от 0,05 до 1,0 мкм, температурой Кюри от 125 до 770 К и коэрцитивной силой Н_с от 22 до 240 кА/м (0,4—3 кЭ) в зависимости от материала. Соединение y-Fe₂O₃ в недалеком прошлом являлось наиболее популярным материалом для лен­точных магнитных накопителей. Позднее было показа­но, что твердый раствор соединений y-Fe₂O₃ и y-Fe₃O₄, а также кобальтсодержащий y-Fe₂O₃ имеют сущест­венно большую коэрцитивную силу, чем соединение y-Fe₂O₃. Величина Н_с существенно зависит от размера и формы частиц и, например, в случае феррита бария Н_с может изменяться от 56 до 240 кА/м (700—3000 Э).

Желание использовать для записи тонкие и доста­точно высококоэрцитивные материалы объясняется тем, что разрешающая способность прямо пропорцио­нальна величине Н_с и обратно пропорциональна тол­щине носителя. В соответствии с оценками ряда авто­ров для сверхплотной магнитной записи значение Н_с должно находиться в диапазоне от 2,5 до 4,5 кЭ. Разре­шающая способность также пропорциональна вели­чине остаточной индукции, поскольку для надежного считывания информации поле рассеяния, создаваемое одним битом, должно иметь достаточно большую ве­личину.

Рис.3. Схематическое изображение устройства

для записи магнитной информации

В отличие от порошковых материалов тонкие пленки — это практически полностью магнитный мате­риал, и, следовательно, в процессе записи информации весь материал пленки находится в зоне действия боль­шого магнитного поля. В то же время при считывании поле, создаваемое отдельными доменами, сконцентри­ровано вблизи поверхности пленки (вблизи головки) и, следовательно, информация может быть считана более эффективно. Таким образом, использование пленок позволяет добиться более высокой по сравнению с по­рошковыми материалами плотности записи. В качест­ве материалов для записи информации используются, например, пленки сплавов кобальта, нанесенные на алюминиевые или стеклянные пластины. Причем ско­рость их вращения может достигать 7200 об./мин. Тол­щина магнитного (рабочего) слоя в пленочных продоль­ных носителях составляет около 10—50 нм. В течение последних лет коммерчески доступными являются дис­ки с плотностью записи несколько гигабит на 1 см², то есть один бит информации имеет размер 0,8 х 0,06 мкм и менее.

Для предупреждения повреждения пленки, особен­но когда диск начинает двигаться, проводится текстурирование дисков: импульсным лазерным излучением на вращающийся диск наносятся кратероподобные шишки высотой около 20 нм. Шишки расположены по спирали, начинающейся от внутреннего радиуса дис­ка, остальная поверхность диска имеет минимальную шероховатость, является рабочей и используется для магнитной записи. Ожидается, что в ближайшее время будет достигнут практически прямой контакт между средой и головкой. С этой целью необходимо использо­вать практически гладкие материалы толщиной 5—10 нм, покрытые слоем смазки, обеспечивающей практически безфрикционное движение головки относительно пло­скости диска.

К средам для магнитной записи предъявляются также следующие требования: стабильность свойств при изменении температуры, механических воздейст­виях, радиации и сырости; неограниченное количество циклов записи и сохранность записанной информации более 30 лет; возможность нанесения антифрикцион­ных/защитных покрытий и использования подложек с хорошей аэродинамикой и, что самое главное, малая стоимость производства.

К преимуществам магнитной записи можно отнести простоту и высокую надежность записи (малую вероят­ность ошибки), более высокую скорость записи/считы­вания по сравнению с оптическими системами; малую стоимость одного бита и сравнительно низкую стои­мость дальнейшего увеличения плотности записи. Не­достатками магнитных систем являются ограничение скорости записи индуктивностью используемого кольца, а также определенное ограничение емкости диска. При использовании механических систем ограничения накладываются также на время доступа к информации и точность позиционирования головки.

В настоящее время для магнитной записи инфор­мации используются индукционные головки. В про­цессе работы головки поле, создаваемое электрической микрокатушкой, концентрируется с помощью магнитопровода в непосредственной близости от поверхнос­ти диска (см. рис. 3). В отличие от диска (который вра­щается по окружности) головка может перемещаться только в радиальном направлении. Запись продольных доменов различной ориентации осуществляется за счет изменения направления тока в микрокатушке. Сущест­вуют универсальные головки, которые совмещают как функцию записи, так и воспроизведения. Современные жесткие компьютерные диски емкостью 120 Гбайт имеют шесть головок для записи и считывания ин­формации.

Наиболее плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект за­ключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нор­мальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления пре­вышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и ис­пользуется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (маг­нитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах за­пись информации осуществляется с помощью индук­ционной головки, а считывание — экранированной (от полей, создаваемых индукционной головкой) магниторезистивной головкой.

ОПТИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ

В середине 1970-х — начале 1980-х годов фундамен­тальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышлен­ным гигантам, как RCA, "Sony" и "Philips", запустить в производство оптические устройства хранения инфор­мации. Первый оптический диск для хранения инфор­мации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода в России являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания ин­формации с CD встроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличе­ние плотности записи информации на оптических дис­ках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпу­скаемые CD позволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Juke­box) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Tбит на 278 дисках.

Логическим продолжением этих работ стало разви­тие магнитооптического способа записи информации. Помимо обсуждаемой выше продольной записи, кото­рая используется при создании магнитной памяти, су­ществует также и перпендикулярная запись, при кото­рой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. Такой тип записи применяется в магнитооптических системах памяти. Первая коммерческая версия магнитооптической сис­темы была выпущена только в 1994 году. Топографиче­ское и магнитное изображение поверхности магнито­оптического диска представлено на рис. 4. На правом рисунке отчетливо видны продолговатые микроост­ровки размером 2x1 мкм², соответствующие одному биту магнитной информации.

Рис.4. Топографическое и магнитное изображения

поверхности магнитооптического диска

Принципиальная схема магнитооптического уст­ройства представлена на рис. 5. При комнатной темпе­ратуре величина Н_с пленки составляет величину ~ 2 кЭ, и она не может быть перемагничена постоянным полем 200—400 Э, создаваемым катушкой, расположенной с противоположной стороны пленки. Для записи ин­формации лазерный луч нагревает необходимый учас­ток магнитной пленки до почти 500 К. При этой темпе­ратуре расположенный в точке нагрева домен может быть легко перемагничен полем катушки. В процессе считывания информации используется тот же лазер­ный источник, но уже в другой (несиловой) моде, кото­рая не вызывает существенного нагрева пленки. Маг­нитооптические системы используют в своей работе полярный эффект Керра. При этом информация об ориентации намагниченности домена получается при анализе степени вращения плоскости поляризации ла­зерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных ме­таллов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким обра­зом, чтобы температура, при которой происходит перемагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Н_с значи­тельно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pd и др.

Рис.5. Схема магнитооптической записи информации

В настоящее время существуют, например, 5,25-дюймовые перезаписываемые удаляемые (перенос­ные) магнитооптические диски емкостью до 2,3 Гбайта, 14-дюймовые двухсторонние диски имеют емкость 12 Гбайт. Предполагается, что в ближайшее время циф­ра возрастет до 20 Гбайт даже для 5,25-дюймового дис­ка (при двухсторонней записи).

Для осуществления записи необходимо выполне­ние ряда магнитных, термомагнитных и магнитоопти­ческих требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости плен­ки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих по­лей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм; возможность уменьшения коэрцитивной силы по ве­личине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра; максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервале температур и т.д.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Важными направлениями научных исследований в этой области является изучение эффектов, влияющих на сверхплотную запись информации, таких, как теп­ловые ограничения, так называемые магнитные вре­менные эффекты и флуктуации различного характера.

Однако проблема заключается не только в том, ка­кую среду использовать для записи информации, но и каким образом эту информацию записать и считать с данного носителя. Например, если для записи и считы­вания информации непосредственно использовать луч лазера, то размер одного бита информации не может быть существенно меньше половины длины волны. Цифровые видеодиски уже используют красный лазер с длиной волны ~ 630—635 нм, недалекая перспектива в этой облас­ти — широкое использование голубого полупроводни­кового GaN-лазера с длиной волны 410—415 нм.

Учеными разрабатываются несколько оптических методов записи и хранения информации. К наиболее известному из них можно отнести так называемую DVD-технологию, которая уже частично пришла на смену обычным CD. Аббревиатура DVD может быть расшифрована как Digital (цифровой) Video (или Versa­tile) (видео- или многоцелевой) Disk (диск). DVD явля­ется форматом оптического запоминающего устройства, используемого для записи информации на удаляемых (переносных) дисках. Емкость таких 5,25-дюймовых дисков колеблется от 4,7 Гбайта для односторонних од­нослойных дисков до 17 Гбайт для двухсторонних двух­слойных дисков (напомним, что емкость современного CD около 650 Мбайт). Использование DVD-носителей позволяет выпускать, например, двухчасовые видео­фильмы, записанные на одном диске.

Большое внимание исследователей привлекает оп­тическая память ближнего поля. Оптика ближнего по­ля использует тот факт, что свет может проходить сквозь отверстия гораздо меньшего размера, чем длина волны X. Однако свет при этом может распространять­ся на очень короткую дистанцию — так называемую об­ласть ближнего поля. Ученые предлагают реализовать данную схему путем, например, перфорирования от­верстия диаметром около 250 нм на покрытом метал­лом конце лазерного диода. Технология же самой запи­си заключается в использовании летающей на малой высоте от подложки оптической головки, содержащей записывающее кольцо для магнитной записи и два оптических элемента. Одним из этих элементов является твердая иммерсионная линза. Линза используется для фокусировки лазерного луча в пятно ультрамалого раз­мера, которое затем проецируется на поверхность дис­ка. По некоторым оценкам, уменьшение размера от­верстия на лазере до 30 нм может позволить достичь плотности записи более чем 80 Гбит/см².

Активно разрабатываются устройства, позволяю­щие проводить запись и считывание информации в объеме материала, то есть осуществлять трехмерное хранение информации. Использование трехмерной (3D-память) оптической памяти позволит записывать до 10¹² бит на 1 см³. Место бита в объеме материала мо­жет быть определено с помощью простых пространст­венных, спектральных или временных координат. Так, например, при голографической записи, концепция которой возникла еще в 1960-х годах, информация хра­нится в толще среды как "страницы" электронных изо­бражений (то есть отдельные биты информации сохра­няются коллективно).

Если упомянутые нами выше DVD имеют на каж­дой стороне лишь по два слоя для записи информации, то развиваемая сейчас двухфотонная технология запи­си позволяет использовать по нескольку сот слоев на каждой стороне диска (созданные прототипы имеют 100 слоев при толщине 8 мм). При этом методе записи атом или молекула могут перейти из одного энергети­ческого состояния в другое только при одновременной абсорбции двух фотонов. Использование двух лазерных лучей (возможно, даже разной длины волны) позволяет легко варьировать месторасположение бита информа­ции в толще материала. Индуцированные изменения при этом могут быть зафиксированы как изменения абсорбции, флуоресценции, отражательной способно­сти или электрических свойств материала в точке рас­положения бита. Такая технология позволит сохранять до 100 Гбайт информации на одном диске того же, что и CD и DVD, размера. Одной из перспективных сред, которая может, например, абсорбировать или флуо­ресцировать при записи битов, является материал spirobenzopyran. Однако при комнатной температуре записанная в нем информация может храниться не бо­лее 20 часов. Неограниченно долго данный материал может сохранять информацию только при температуре -32°С, то есть при температуре сухого льда. Исследует­ся также возможность использования для двухфотонной записи фотохромного протеина bacteriorhodopsin и нитронафтиальдегида (rhodamine B).

Ведутся также исследования новых возможностей трехмерной записи информации, делающих ее в неко­тором смысле четырехмерной. При этом способе запи­си предлагается помимо обычной использовать также такую информацию о каждой точке записи, как длина волны, время или молекулярная структура (например, записывать информацию в одной и той же точке прост­ранства на разных длинах волн). Таким образом, мож­но будет записывать до 100 бит информации в одной точке пространства микронного размера.

Однако чисто оптические методы записи, в кото­рых среда для записи (или ее часть) расположена на за­метном расстоянии от лазера, имеют одно важное огра­ничение — минимальный размер бита записываемой информации ограничен величиной Х/2. Это обуслов­лено дифракционными ограничениями. Даже при ис­пользовании голубого твердотельного лазера линей­ный размер одного бита информации может быть лишь около 215 нм. Хотя принципиальных ограничений на создание твердотельных лазеров с длиной волны менее 400 нм нет, но трудности создания хорошо управляе­мых компактных лазеров заметно возрастают при даль­нейшем уменьшении длины волны. Таким образом, следует ожидать, что в случае даже полного развития трехмерной памяти и при использовании голубого ла­зера чисто оптические методы позволят записывать в одном кубическом сантиметре не более 10¹⁴—10¹⁵ бит информации. Для достижения в компьютерах плотнос­ти записи 10¹⁴/см³ понадобится не менее 15—20 лет.

В настоящее время разрабатываются и другие виды оптической памяти, использующей, например, в каче­стве носителя информации уже отдельные молекулы или предлагающие перейти к многоуровневой логике вместо общепринятой сейчас бинарной.

Обещающим кажется и использование термомеха­нических процессов для считывания и записи инфор­мации на тонких полимерных органических пленках. Ученые компании IBM предлагают использовать для этого так называемый millipede — тысячи кантилеверов (чувствительных элементов), закрепленных на одной кремневой подложке, причем каждый из кантилеверов может записывать и считывать информацию на/с по­лимерной среды.

Однако в отличие от разработок технологии маг­нитной памяти доведение данных работ до промыш­ленного прототипа требует огромных финансовых за­трат. В то же время проведенные к настоящему времени исследования магнитного метода записи уже сейчас позволяют увеличивать плотности записи в два раза за один год. Дальнейшее развитие магнитной памяти не требует чрезмерно больших затрат. Цена одного мега­байта магнитной информации уже сейчас снизилась приблизительно в 500 раз от начальной его цены и не превышает нескольких десятых цента. Таким образом, можно предположить, что в ближайшие 7—10 лет маг­нитные материалы будут оставаться наиболее исполь­зуемой средой для записи информации (по крайней мере для жестких дисков компьютеров) и в ближайшем будущем будут успешно конкурировать с чисто оптиче­скими и другими методами.

Точного ответа на вопрос, каков предельный раз­мер магнитного носителя одного бита информации, до сих пор не существует. По всей видимости, один бит та­кой информации будет включать в себя от двух до не­скольких сот атомов. Для окончательного решения этой проблемы необходимо найти ответы, например, на следующие вопросы: 1) до какого наименьшего раз­мера нанообъекта существует ферро- или ферримагнетизм, 2) возможно ли перемагничивание данного объ­екта, 3) возможно ли создание стабильных матриц, содержащих регулярно распределенные нанообъекты с указанными свойствами?

Что же касается далекой перспективы, то не ис­ключено, что компьютеры будущего будут использо­вать для вычислений уже не биты, а так называемые кубиты (квантовые биты) информации, представляющие собой суперпозицию квантовых состояний. Реальная работа таких квантовых компьютеров потребовала бы интеграции большого количества кубитов (например, невзаимодействующих молекул) с одновременным кон­тролем их состояния.